王志明教授团队PNAS研究突破:金粒子注入石英片制成激光驱动的微流泵


近日,电子科技大学基础与前沿研究院王志明教授团队在《美国科学院院报》(PNAS)上发表题为“Gold Implanted Plasmonic Quartz Plate as a Launch Pad for Laser Driven Photoacoustic Microfluidic Pumps”的研究论文。通过金离子注入石英片制备了一种微流控泵,实现了激光实时操控宏观流体运动。

基础院博士后岳帅、博士生林峰和河南工程学院张秋慧副教授为共同第一作者,电子科技大学基础与前沿研究院为第一作者及第一通讯单位。电子科技大学王志明教授和美国休斯顿大学Jiming Bao教授为共同通讯作者,合作研究单位包括河南工程学院、美国休斯顿大学、美国普渡大学。

背景介绍

微泵是微流控器件的核心,在基础研究和前沿技术上有广泛的应用。根据工作原理,微泵主要可以分为两大类:机械和非机械泵。随着微机电系统的出现,由阀和薄膜等活动组件构成的微机械泵替代了宏观尺寸的机械泵。虽然非机械微泵没有活动组件,但仍然需要制备微细结构和电学接触来产生热、电、磁和超声激励来驱动流体。随着制备工艺的进步,微泵的性能也有所提升。但是,在过去的几十年里,其设计和工艺原理仍然几乎没有变化。并且,基础研究的深入发展对泵的尺寸和精确控制提出了更高的要求,传统的微机电泵的局限越来越明显。

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1.金离子注入石英片及该石英片在激光作用下产生的束流

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2.移动激光束产生的移动微泵和两束激光产生的双微泵

本文亮点

在本工作中,王志明教授团队用全新的设计和工作原理制备出了一种新型的微泵。该器件没有活动组件或电极,因此不需要微纳制备工艺。并且,该泵的尺寸、数量、位置和工作时间都可以被实时地远程及程序化控制。通过离子注入技术在石英片中注入浓度为1016/cm2的金原子,在利用我们团队之前发表在Science Advances上的光致超声,激光推动流体的原理,脉冲激光就可以实时地产生持续的超声,推动流体快速流动(如图1)。由于整个石英片的表面都被等离子层覆盖,超声波可以从其表面的任意点产生。也就是说该石英片上的任一点就是一个微流泵(如图2)。

总结与展望

该器件克服了之前光致超声需要激光束在同一点产生超声腔体的缺点。通过研究该微流泵背后的泵浦机理,探索激光、流体和超声的相互作用,可以极大地推动化学、生物医学等领域的基础研究,甚至有望将该技术推广进入到产业化应用阶段。由于光致超声的原理具有普适性,大量的吸光材料如碳纳米管、金纳米颗粒、石墨烯、二硫化钼、半导体聚合物和染料分子都有望用来产生光致超声从而进行流体控制。该研究标志着一系列微泵的产生,打开了其光流控和微流控的广泛应用

 

期刊简介

《美国科学院院报》(PNAS)是世界上久负盛誉的百年综合期刊,包含生物学、化学、物理学、数学和社会科学等领域的前沿研究工作、评述、综述、前瞻、学术讨论会论文等。PNAS目前影响因子为9.504,值得一提的是,本次论文为非推荐直接投稿。

Science Advances为《Sciecne》的综合子刊,是美国科学促进协会(American Association for the Advancement of Science)创办的开放获取期刊。领域包含了生命科学,物理,社会学,计算机科学和环境科学等,目前影响因子11.511.

 

团队介绍

电子科技大学基础与前沿研究院王志明院长成立的信息材料与器件团队,现有全职教授3人,协议教授46人,单位遍布十五个国家和地区。自团队成立至今,共招收来自9个国家和地区的博士后21人,现有中国籍学生30人,团队主要研究方向涉及:半导体光电器件、柔性电子学、热电材料以及材料计算与模拟等。目前团队已在Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials, Nano Letters, Applied Physics Letters等期刊上发表过20余篇论文。

 

论文链接

PNAS: https://www.pnas.org/content/early/2019/03/13/1818911116

Science Advances: http://advances.sciencemag.org/content/3/9/e1700555